AP1000核電廠廢物最小化淺析

倪依雨 付亞茹 王鑫 伊成龍 朱來葉

摘要：核電廠的廢物最小化作為放射性廢物管理的基本原則之一，近來越來越受到社會的關注。AP1000作為三代先進核電的典型代表，從設計到運行上，都充分考慮廢物最小化的原則。本文從源頭控制、再循環再利用、減容技術和優化管理四個方面，開展AP1000廢物最小化的簡要措施描述，為在役電廠及新建的其他電廠提供一定的參考價值。

Abstract： As one of the basic principles of radioactive waste management， the waste minimization of nuclear power plants has attracted more and more attention recently. AP1000， as the typical representative of three generations of advanced nuclear power， fully considers the principle of minimization of waste from design to operation. In this paper， from the source control， recycling， reduction technology and optimized management from four aspects， briefly outline measures of AP1000 waste minimization， providing certain reference value for other new plants and the plants in service.

關鍵詞：廢物最小化；源頭控制；再循環再利用；減容技術；優化管理

Key words： waste minimization；source control；recycle and reuse；reduction technology；optimal management

中圖分類號：TL94；TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0209-03

0 引言

廢物最小化是指廢物量（體積和重量）和活度（廢物中放射性核素含量）合理可達到的最小。廢物最小化是放射性廢物管理基本原則之一[1]。為了保護人類健康和生態環境，不給后代帶來不適當的負擔，促進核工業的可持續發展，應該盡可能節省資源，實行再利用和再循環，使廢物最小化。廢物最小化是整個廢物管理水平提高和安全文化素質提高的結果，它始于核設施的規劃與設計，終于核設施的退役和/或廠址開放。涉及設計、采購、建造、調試、試運行、運行、關閉和退役的生命周期全過程，是一個系統、連續、反復的過程。在放射性廢物最小化戰略實施過程中，實施效率從高到低，成本從低到高依次為管理、源頭控制、再回收再利用、廢物減容和廢物處置。

2016年10月21日批準發布了核安全導則《HAD 401/08-2016核設施放射性廢物最小化》[2]中明確要求，“應通過采取切實可行的設計和管理措施，并與國際最佳實踐比對，使得核設施放射性固體廢物產生量可合理達到盡量低”。根據標準中附錄A.2中《美國核電廠用戶要求文件》URD和《歐洲核電廠用戶要求文件》EUR中，都要求單臺百萬千瓦壓水堆核電機組廢物包年產生量目標值不超過50m3。該指標無論對于國內在役還是新建電廠，都是相對比較嚴格的指標，需要通過多重管理手段和技術方法來滿足。

本文結合AP1000系列電廠的特點，闡述在廢物最小化在電廠中的應用，為國內新建及在役電廠提供一定的參考指導。

1 源頭控制

1.1 優化源項

1.1.1 堆芯控制方式

AP1000系列在堆芯控制方式上與其他電廠不同，采用先進的機械補償（MSHIM）運行模式。對于傳統核電廠，在負荷跟隨運行期間，主要依靠堆芯可溶硼濃度進行功率水平的控制，從而產生大量的調硼排水。而MSHIM的控制方式可實現在絕大多數情況下實現不調硼的負荷跟隨運行，從而減少調硼排水量。而且也大大簡化了系統的設計，無需再設置大型的硼回收系統來實現硼的重復利用。

1.1.2 源項控制

為減少下游廢物處理量，可以從源頭上減少主要放射性核素（裂變產物、腐蝕產物、氚和C-14等核素）的產生或沉積，減少廢物處理的經濟代價，從而減少運行和退役等過程中向環境排放的放射性物質的釋放量，有利于廢物最小化目標的實現。

①裂變產物。

壓水堆核電站燃料棒破損是造成裂變產物釋放的主要原因，根據近年來的經驗，燃料棒破損的主要影響因素有燃料棒流致振動磨損、反應堆異物以及由制造缺陷引起的破損。針對這三種影響因素，AP1000電廠通過增大燃料棒與鋯合金格架彈簧的接觸面積來減少磨損量從而減少燃料棒流致振動磨損；通過采用防異物下管座及保護格架的結構設計減少進入燃料組件的異物數量以及質保控制降低包殼破損的可能性。

②腐蝕產物。

核電廠中放射性廢物中主要的核素為腐蝕產物，而腐蝕產物中主要的核素為Co-58和Co-60，分別來自于Ni和Co的活化。AP1000電廠中將采用加鋅技術，該技術可以減少材料腐蝕，控制一回路應力腐蝕開裂（PWSCC），減少劑量率。運行經驗表明，加天然鋅幾個循環后劑量可減少45%，而采用貧鋅則可減少55%。加鋅是控制腐蝕產物最經濟的方法。運行經驗表明，加鋅運行幾個循環后，劑量率可以減少到50%。AP1000通過添加貧化鋅，可以有效地減少材料腐蝕。

③活化源。

材料中的成分控制是控制活化源的主要方法之一，尤其是材料中的雜質元素，如鎳、鈷等，活化后形成的放射性核素半衰期相對比較長，隨著輻照時間增加不斷累積。因此，在結構材料選擇時，一方面需要嚴格控制材料類型，如設計中避免高鈷含量的材料使用，使用鋯合金材料替代鉻鎳鐵合金材料，另一方面需盡量減少材料部分雜質含量，如嚴格控制鋼中鈷含量。通過優化材料選取和材料雜質含量控制，可以較好地降低結構材料活化導致的放射性。如堆本體與冷卻劑接觸的主要設備的主要零部件設計所用材料鈷含量要求不超過0.05%，從而有效減少了活化放射性源。

④氚。

在除氚方面，AP1000采用性能比較先進的燃料棒，電廠正常運行時，燃料棒發生破損的風險較小；燃料棒和可燃毒物棒的包殼材料均為鋯合金；要求在反應堆冷卻劑中添加的LiOH中Li-7的富集度不能低于99.9%；設置了專門貯存破損燃料棒的格架，從一定程度上對破損燃料棒進行了隔離；采用了優良的水化學控制和腐蝕產物控制等措施；在煙囪排氣輻射監測管上設置了氚連續取樣裝置。

⑤C-14。

向環境排放的放射性C-14的量主要由反應堆冷卻劑中的O-17和N-14反應生成的，故限制反應堆冷卻劑O-17和N-14的濃度，為控制C-14向環境排放的主要出發點。從更符合工程實際的角度，AP1000減少反應堆冷卻劑中N的量（包括：很多采用聯氨做pH值控制劑的電廠采用LiOH作為控制劑，化學和容積控制系統的容積控制箱等水箱中的覆蓋氣體不采用氮氣等）；采用LiOH作為控制劑，并取消了化學和容積控制系統的容積控制箱，避免了正常運行過程當中由于容積控制箱掃氣導致一回路中N濃度的增加。

1.2 先進技術

在傳統成熟的壓水堆核電技術基礎上，AP1000廣泛應用非能動安全系統，即執行安全功能靠重力、自然循環和壓縮空氣膨脹這些自然力而不依賴能動設備，使得核電廠安全系統的設計發生了革命性的變更。在設計中采用非能動的嚴重事故預防和緩解措施，簡化安全系統的配置，減少了安全支持系統。由于采用了非能動的安全系統，大大降低了發生人因錯誤的可能，使得AP1000安全性能顯著提高，減少了因誤操作所帶來的放射性污染。AP1000安全系統及其設備數量大量減少，閥門、管道、電纜、泵、控制裝置、抗震廠房在總量上分別減少了50%、80%、85%、35%、70%和45%。

1.3 防止污染擴散

AP1000在設計上充分考慮從源頭控制泄漏的發生，包括設備設計時注意密封性、盡量采用焊接形式、增強廢液的包容能力，并對池體的泄漏及時進行監測。合理的輻射分區也是減少放射性污染擴散的主要方式。

除此之外，放射性廢物的合理分類是實現廢物最小化最直接的方式之一，尤其是對于解控廢物。解控[3]是指固體廢物的免于監管向公眾開發，其本質上是輻射防護最優化原則在放射性廢物管理中的應用，即在考慮經濟和社會因素之后，保證個人劑量的大小、輻照人數以及不一定受到但可能遭受的輻照，全部保持在可合理達到盡量低的程度。因此，在電廠運行過程中，應加強廢物的分類與管理，重視豁免在廢物管理中的應用，盡可能減低電廠產生的廢物量。

2 再循環再利用

再循環再利用是保障廢物最小化戰略實施的另一重要環節。如果廢物的產生不可避免，則盡量執行物料的循環或再利用減容手段，通過建立并執行清潔解控技術指導程序，使用適當的去污技術，嚴格地執行廢物分揀、廢物流分離、塑料、金屬和建筑材料的再循環再利用，來減少廢物的產生。其重要效益不是材料的再利用帶來的直接價值，而是在于處置成本節約。一般而言，可重復利用的設備包括裝卸料設備操作工具、堆本體結構相關專用操作工具及熱車間清洗后的設備。除此之外，洗衣房清洗達標后的衣物也是再利用的主要物品。

3 減容技術

3.1 廢氣處理

普遍的放射性廢氣處理系統包括壓縮貯存衰變和活性炭延遲衰變兩種處理技術。雖然壓縮貯存衰變更加成熟、穩定，但相比較而言，由于活性炭延遲衰變技術不需要在加壓下就可直流運行，而且系統使用的活性炭一般可以長時間使用，最終也可以有條件進行豁免，較大程度減少了二次廢物量，成為推薦的廢氣處理技術[4]。

3.2 廢液處理

離子交換樹脂床是在廢液中運用最為廣泛的處理技術，而且由于樹脂是固體廢物的關鍵組成部分，因此，若能盡可能減少樹脂產生量，將有效實現廢物最小化。AP1000在樹脂選型上特別關注顆粒度、交聯度、全交換容量等關鍵參數，而且對于樹脂的處理能力也進行了論證，從而保證在同樣的樹脂裝填量的基礎上，獲得最大的樹脂處理能力。

除此之外，移動式廢液處理設備也是AP1000特有的處理設備。該處理手段結合固定式處理設備，能處理0.25%燃料破損工況下的廢液和二回路沾污水。由于這些工況下的廢液產生的概率很低，因此，移動式的設備能夠減少固定設備的成本，從而降低二次廢物的產生。

3.3 廢固處理

放射性固體廢物是廢物最小化中最為關鍵的一部分。因為無論是廢氣、廢液，最終會以廢固的形式將放射性核素穩定化。因此廢物處理技術的減容比直接影響電廠產生的廢物量，而且也是現在三廢技術研究的重點發展方向。比如，對于放射性活度濃度高、減容能力弱的廢樹脂而言，采用技術路線包括熱態超壓、濕法氧化、高整體性容器直接包裝、特種水泥固化等方式，其特點參見表2。

4 優化管理

4.1 管理與宣傳

各相關部門共同組成放射性廢物管理機構，對廢物的產生、收集、轉運、處理、貯存等各個環節進行行政和技術管理。包括建立廢物顧問委員會或顧問組，定期評審和評價廢物管理活動；建立廢物處理中心或廢物處理站，把分散的處理和整備變為集中的處理和整備；建立廢物處理、處置的文檔、數據庫、廢物的計量和跟蹤系統、質量保證和質量控制體系、應急響應和應急準備措施等，除此之外，也需要加強現場控制手段，包括輻射防護人員把關、監督，避免包裝材料進入控制區；設備維修、改造單位負責人，明確廢物控制責任，實施對固體廢物的源項監督與控制，減少跑、冒、滴、漏現象發生等措施。

此外，通過對管理人員和工作人員進行培訓，使其了解放射性廢物管理和最小化的意義，提高文化素養，掌握減少放射性廢物的方法，樹立廢物最小化的自覺意識。使每位涉及放射性廢物產生、收集、轉運、處理、貯存等的工作人員切實地將廢物最小化原則落實到實際工作中。此外，通過公司媒體發送廢物處理指南性文件、定期出版宣傳欄、規范、系統地制作現場指南性或廢物管理方面的標語等，也可有效地進行廢物最小化的宣貫。

表3是田灣核電廠在積極學習同行經驗后，不斷總結提升廢物最小化的管理能力后，實現廢物量的不斷減少。

4.2 經驗反饋與先進技術

關注最新技術的發展：運行、去污、監測、管理等有利于廢物最小化的技術革新。如焚燒處理、玻璃固化作為高效的減容技術都有著非常優越的減容和相對成熟的運行經驗，因此經濟因素和技術在本地的應用成熟度就成為決定采用哪種具體減容方案的關鍵。另外，使用高溫可溶解（分解）聚乙烯醇（PVA）等新型可循環利用材料，及其深遠影響也應進行深入的評估，以決定最小化戰略的發展方面的工作進程。

5 總結

廢物最小化作為廢物管理中重要的原則，從設計階段開始，在建造階段實施，在運行管理中貫徹，并在退役階段實現，從而貫穿電廠的整個壽期。而且，廢物最小化要設計結合實踐，不斷學習總結，才能不斷完善，最終有效推進廢物最小化的進程。

參考文獻：

[1]GB 14500-1993，放射性廢物管理規定[S].中華人民共和國國家標準.

[2]國家核安全局.HAD 401/08-2016，核設施放射性廢物最小化[S].

[3]林曉玲，董永和，等.清潔解控在反應堆退役放射性廢物最小化管理中的應用[C].北京：中國核科學技術進展報告（第一卷），2009：40-42.

[4]倪依雨，王鑫，等.核電廠放射性廢氣系統專用活性炭的性能研究[J].核安全，2014，13（3）：73-77.

[5]康云鼎.秦山核電基地放射性廢物減容技術研究[J].核動力工程，2012，33（6）：118-120.

[6]張遠，李廣華，等.田灣核電站放射性固體廢物管理與最小化實踐[J].輻射防護通訊，2010，30（1）：35-39.